Mạng Truyền Thông Di Động Và Tế Bào

Mạng Truyền Thông Di Động Và Tế Bào

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐH KHTN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -o0o -

Đồ Án Môn Học Mạng Truyền Thông Di Động Và Tế Bào

GVGD : Thầy Trương Tấn Quang

SVTH: Nguyễn Văn Liêm

0620031 Nguyễn Kim Long

0620034 Nguyễn Thanh Tú

0620111 Nguyễn Hữu Phước 0620055

Học kì 1

Năm học 2009-2010

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ nguyên mới Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao Các xu hướng này đang tiếp tục tăng trong những năm tới.

Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi Các dịch vụ được cung cấp cho thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và multimeadia cũng như dịch vụ thoại Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu này

và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi được gọi là hệ thống di động thế

hệ thứ 3 (3G) Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các tiêu chuẩn thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng Hệ thống di động

số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện Hệ thống 3G điển hình hiện nay là cdma2000 và WCDMA WCDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng.

Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1, nên khi số thuê bao tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống Vì thế trong mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật phân tập tín hiệu Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian trong

hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thông qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra của mảng anten

Nội dung đồ án gồm 3 chương :

- Chương 1:Trình bày ưu nhược điểm của hệ thống WCDMA và hướng giải

quyết cho những nhược điểm.

- Chương 2:Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian Phân tập

anten bằng bộ thu Beamformer-Rake.

- Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu

Beamformer Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE.

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng Quan Hệ Thống W-CDMA 5

Giới thiệu chung 5

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 5

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 6

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 7

1.4 Lộ trình phát triển hệ thống di động thế hệ 2 (GSM) lên (WCDMA) 7

1.5 Tổng quan mạng WCDMA 8

1.5.1 Các thông số chính của mạng WCDMA 10

1.5.2 Những đặc điểm then chốt của mạng WCDMA 11

1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống WCDMA 11

1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong hệ thống WCDMA 12

Kết luận chương 14

Chương 2: Khái Niệm Phân Tập Không Gian-Thời Gian 15

2.1 Giới thiệu 15

2.2 Anten Mảng 15

2.2.1 Mảng Anten dãy 16

2.3 Kỹ thuật Beamformer 18

2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer trong mảng ULA 19

2.4 Nguyên tắc lấy mẫu trong xử lý không gian 21

2.5 Lợi ích của phân tập không gian 22

2.6 Phân tập thời gian- Bộ thu Rake trong CDMA 22

2.6.1 Các kỹ thuật tổ hợp tín hiệu 23

2.6.1.1 Bộ tổ hợp chọn lọc (SC) 23

2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỉ số tối đa (MRC) 24

2.6.1.3 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC) 24

2.7 Bộ thu Beamformer_Rake 24

Kết luận chương 25

Chương 3: Các Kỹ Thuật Beamforming 26

3.1 Giới Thiệu 26

3.2 MSNR Beamforming 26

3.2.1 Kỹ Thuật MSNR 26

3.2.2 Phương Thức cải tiến SE cho Beamforming 28

3.2.3 Pha Tín Hiệu Trong Eigen-Beamforming 29

3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming 30

3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu(SINR) 31

3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỷ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) 32

3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 33

3.5 So sánh 2 kỹ thuật MSINR và MMSE trong trường hợp đơn giản 34

Kết luận chương 36

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA

Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyêngia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông Trong thời gian này côngnghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi Quá trìnhthay đổi thể hiện qua các thế hệ:

 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ

đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)

 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theothời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA)

Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứngdụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phơng tiệngói

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử

dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụngphương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Với FDMA, khách hàng đượccấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơ đồbáo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dòsóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhận được dữliệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một sốngười bị chặn lại không được truy cập

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, vàđược cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ Mỗi dải tần số được gán cho một kênhliên lạc N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách

là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống

Đặc điểm :

- Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông tuyến

- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể

- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced MobilePhone System) Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cảdung lượng và tốc độ Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cảdung lượng và tốc độ

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên côngnghệ số

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sửdụng 2 phương pháp đa truy cập :

- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tầnliên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời giantrong chu kì một khung Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khethời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung

Đặc điểm:

- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đómột băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động vàmột băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việcphân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùngmột lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau

- Giảm số máy thu ở BTS.

- Giảm nhiểu giao thoa

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM Máy di động kỹ thuật

số TDMA phức tạp hơn FDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự cókhả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải có khảnăng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây

Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:

Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sửdụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không

sợ gây nhiễu lẫn nhau Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ

mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:

Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sửdụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệthứ 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muc tiêuchính sau:

- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cậpInternet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện

- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại

vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệthống thông tin di động

- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự pháttriển liên tục của thông tin di động

3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps chongười dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto Công nghệ 3Gdùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G Nhiều tiêu chuẩn cho hệthống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống

Hình 1.1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G

GPRSHình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA

WCDMA và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong nhữngnăm gần đây Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phépthực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến

1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên WCDMA

Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hìnhảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽ đượcchuyển đổi sang thế hệ 3 Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1

Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:

 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung

 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chiatheo mã băng rộng

1.5 Tổng quan về mạng WCDMA

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo

mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử dụngcông nghệ CDMA Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa truy cậpphân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ đểphân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng Trong công nghệ CDMA, nhiềungười sử dụng chung một thời gian và tần số Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sự tươngquan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệunhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một dãy

PN như đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tínhiệu đồng bộ thu được Cũng giống như TDMA, WCDMA là một trong nhiều côngnghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt động Nó cũng được biết như là mộtgiao diện vô tuyến hay công nghệ đa truy xuất WCDMA là một giao diện vô tuyếnphức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di động WCDMA có 2 chế độ khácnhau là FDD và TDD Khả năng làm việc được ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép

sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau

 FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đótruyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt Ở FDD đườnglên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau Hệ thống được phân bố mộtcặp băng tần riêng biệt

 TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó đườnglên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng nhữngkhe thời gian luân phiên Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý được chiathành hai phần : phần phát và phần thu Thông tin đường xuống và đường lên đượctruyền dẫn luân phiên

1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz)

TDD RX/TX

FDD

Upli nk

TDD RX/TX

FDDDownlink

Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổtần được cấp phát ở các vùng khác nhau

Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:

Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiểnmạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vô tuyến

 Mạng lõi có hai vai trò chính :

 Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệugửi đến Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến thôngtin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng

 Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truynhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet vàphân loại thông tin tính cước và bảo mật

Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơ bảncủa thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời

1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA

 WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trảiphổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trênmột dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi làchip) nhận được trải phổ trong WCDMA

 Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ tới5MHz Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ dữ liệucủa uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số Các nhà quản

lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz Khoảngcách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng 4.4 đến5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang

 WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khácchính là dải thông theo yêu cầu cũng được cung cấp Mỗi user được cung cấp một

khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên không đổi Tuynhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.

WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD Trong FDD cáckhoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng lên và hướngxuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được dùng cho cả hướnglên và hướng xuống

 WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó khônggiống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàncầu GPS

WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các kýhiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng

 WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thểchuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA

Phương thức đa truy

Tách sóng Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng

kênh hoa tiêu.

1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA

Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống cónhững đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3 Những đặc điểm chủ yếu trong

hệ thống WCDMA là :

Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải thiệnvùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2 sangthế hệ thứ 3.

Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đại trên 2Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối

 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy

Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộgiữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường Hỗ trợ một cách

có hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc Sử dụng kỷ thuậttiến bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng Mô hình TDD được thiết kế đểhoạt động hiệu quả trong môi trường không kết hợp

Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất vốn

có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô tuyến

Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là tính năng khôngthể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào Điều khiển công suất chắcchắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở môi trường trong nhà vàmôi trường ngoài trời có tốc độ thấp

Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là mộttrong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA

1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA

Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tínhiệu đến trực tiếp Song, trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bịthay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các thànhphần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó Sau đây là

mô hình của hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao thoa

Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường

Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa

Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ thuật

xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong đồ án này ta sẽ đinghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu

1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA

Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệthống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading nghiêmtrọng Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chế CDMAbăng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc lập.Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading

đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading xảy ra mộtcách liên tục đó thì bộ điều chế không thể xử lí tín hiệu thu một cách độc lập được.Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading,có 3 loại phân tập là theo tần

số ,theo thời gian và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sửdụng việc chèn vào mã sữa sai Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất

cả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu Hệ thốngCDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năngbáo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnhhưởng đến băng tần báo hiệu(200-300kHz) Nhưng với một băng tần rộng thì fading

ít ảnh hưởng đến tín hiệu hơn Phân tập theo khoảng cách hay đường truyền thườngđạt được theo 3 phương pháp sau:

-Thiết lập nhiều đường báo hiệu(chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động với 2hoặc nhiều trạm gốc BTS

-Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét thunhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.

-Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng)

Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thống TDMA

và FDMA Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống số cótốc độ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu Phân tập theo tần số có thể

dể dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA

Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song.Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan Máy thu có bộtương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu thu theo mỗiđường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được Fading có thể xuất hiện

ở các đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường tín hiệuthu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fading đồng thờigiữa cá đường tín hiệu thu được

Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thốngthông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao diđộng

Các kỹ thuật phân tập:

 Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng nhữngkhe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu,như vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiềuthời điểm Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thời giantrễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất

 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ vàsóng điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận.Phân tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyền cùngmột tín hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần sốkhác nhau

 Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng

ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau đểtruyền hay thu cùng một tín hiệu Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng băngthông của hệ thống

Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là hệthống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di động Cuối chương là

phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ thống vôtuyến Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập khônggian và thời gian.

cả hai miền không gian và thời gian Ở đây, xử lý tín hiệu trong miền không gian làtiến hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu trên miền thờigian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian Việc kết hợp 2 kỹthuật phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu tại bộ thu Tuy bộthu 2-D này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền không gian và thời giansong điều này đòi hỏi phải có cấp độ tính toán phức tạp Trong chương này chúng

ta sẽ giới thiệu một số giải pháp đơn giản để xử lý tín hiệu trong miền không gian vàthời gian

Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằngcách xử lý không gian Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từnhững địa điểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhấtliên quan tới thuê bao đó Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính không giancủa tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI Việc xử lý này được thực hiện bởi bộBeamformer Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệthống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau Dung lượngcủa hệ thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-channel

2.2 Anten Mảng

Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị tríkhác nhau trong không gian mảng Các anten thành phần này có thể được sắp xếptheo các cấu trúc hình học bất kỳ Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là

mảng đường ,mảng tròn hay mảng phẳng Mảng đường và mảng tròn là trường hợpđặc biệt của mảng phẳng Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào gócphát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các anten ,vào biên độ và pha của tín hiệu đến Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì gócphát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệuđến mảng [3] Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng.Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng thì góc phát xạcủa mảng được tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần

Với A1(t) : Biên độ tín hiệu đến anten

f c : Tần số sóng mang của tín hiệu

γ(t) : Hàm biểu thị sự biến đổi tín hiệu.

chậm hơn phần tử thứ nhất một

Hình 2.1 Mảng anten ULA

khoảng thời gian là τ ,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N τ Như thế

ta có thể biểu diễn tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thứctín hiệu thu được tại phần tử thứ nhất Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là :

Do đó tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i của mảng là (i=1:N)

Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏhơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng Giả thiết cho hiện tượng này đượcgọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng sẽ có sự

sai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có thể là nhỏ Vì thế mô hình narrowband vẫnchính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là ở những tín hiệu

có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng Cũng vì lí do đó màkhi thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giao thoa thì phải nằm tronggiới hạn cho phép của hiện tượng narrowband Trong toàn bộ luận văn này chúng tagiả thiết rằng tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband

Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuốicùng của mảng được tính như sau :

Ta có : τmax= 3

2 2000 106Với hệ thống W-CDMA có băng thông tín hiệu là 5MHz Tỉ số giữa τ max và băngthông tín hiệu được tính như sau :

χmax= 3×5 106

2×2000 106 =0.0037Như vậy giả thiết narrowband phù hợp với hệ thống W-CDMA

2.3 Kỹ thuật Beamformer

Beamforming là một kỷ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện trongnhững anten mảng Trong hệ thống mạng di động tổ ong, tín hiệu hữu ích của mộtcell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu giao thoa

tín hiệu Bộ Beamformer có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao thoa sóng đểlấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó Trong bộ Beamformer, tín hiệu thu được từcác phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu có chất lượng tốtnhất Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer.

Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy

Nếu có tất cả K tín hiệu đến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu được xác định riêngbiệt Lúc đó vector tín hiệu nhận được có dạng như sau :

a(θi) là vector đáp ứng của mảng ứng với góc tới θi

n(t) là vector tín hiệu nhiễu

Đầu ra của bộ Beamformer có dạng sau :

y(t )=wH( t ) x(t ) (2.15)

Với w=[ w 1 w 2 … w N]T là vector trọng số của mảng

Thông thường vector trọng số được chọn để phù hợp cho từng kỷ thuật Beamformerkhác nhau Các kỹ thuật Beamformer thường có là MMSE, MSINR, MSNR, CMA, ML…

sẽ được đề cập ở các chương sau

2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA